KR101079668B1 - 구조체를 이용한 펠티어 소자 냉온수 시스템 - Google Patents

Abstract

구조체를 이용한 펠티어 소자 냉온수 시스템이 개시된다. 본 발명의 구조체를 이용한 펠티어 소자 냉온수 시스템은, 내부에 워터(water)가 저장되는 제1 탱크; 및 제1 탱크와 연결되며, 제1 탱크 내의 워터를 순환시켜 냉수 또는 온수로 생산하는 펠티어 모듈(peltier module)을 포함하며, 펠티어 모듈은, 인가된 전류에 의해 양면이 각각 독립적으로 냉각 및 가열되는 냉각면 및 가열면을 구비한 적어도 하나의 펠티어 소자; 및 적어도 하나의 펠티어 소자를 사이에 두고 펠티어 소자의 냉각면 및 가열면 중 어느 한 면에 접면하되 내부에 다수의 워터유로가 형성된 제1 유로 구조체를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 냉온수 생산에의 성능 및 그 효율을 높이면서도 소형화 및 콤팩트화가 가능하고, 또한 펠티어 소자의 구동 효율을 높임으로써 동작 중에 소음을 최소화시킬 수 있을 뿐만 아니라 형상 및 디자인 변경에 자유로우며, 주변의 기온에 무관하게 일정한 성능을 제공할 수 있고, 무엇보다도 낮은 코스트(cost)의 범위 내에서 제작이 가능하여 냉수 또는 온수가 요구되는 산업용 또는 가정용의 다양한 제품에 용이하게 적용될 수 있다.

Description

구조체를 이용한 펠티어 소자 냉온수 시스템{Cooling and heating water system for peltier}

본 발명은, 구조체를 이용한 펠티어 소자 냉온수 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 냉온수 생산에의 성능 및 그 효율을 높이면서도 소형화 및 콤팩트화가 가능하고, 또한 펠티어 소자의 구동 효율을 높임으로써 동작 중에 소음을 최소화시킬 수 있을 뿐만 아니라 형상 및 디자인 변경에 자유로우며, 주변의 기온에 무관하게 일정한 성능을 제공할 수 있고, 무엇보다도 낮은 코스트(cost)의 범위 내에서 제작이 가능하여 냉수 또는 온수가 요구되는 산업용 또는 가정용의 다양한 제품에 용이하게 적용될 수 있는 구조체를 이용한 펠티어 소자 냉온수 시스템에 관한 것이다.

냉온수 시스템은, 냉수 또는 온수를 생산할 수 있는 시스템으로서 냉온수기나 정수기 등에 적용될 수도 있고, 또는 냉/온 매트(mat)나 산업용 냉각 장치 등에 적용될 수도 있다.

냉온수 시스템이 냉온수기나 정수기 등에 적용되어 예컨대 냉수를 생산하게 되는 경우, 냉동사이클의 원리에 입각한 냉장고에 보관된 냉수만큼의 차가운 온도 로 워터(water)를 냉각시킬 있다.

그리고 냉온수 시스템이 매트에 적용되는 경우에는 전자파의 논란이 되고 있는 전류매트의 폐해에서 벗어나 안전하고 안락한 냉/온수 매트로서의 기능을 부여할 수 있다.

이하에서는 설명의 편의를 위해, 냉온수 시스템이 냉수를 생산하는 것에 관해 설명하기로 한다.

현재, 펠티어 소자를 이용한 냉수 생산 방식으로, 냉수 탱크에 펠티어 소자 냉각면을 접면하고 펠티어 소자 가열면에 방열판을 접착해 그 방열판에 팬을 부착시킨 방식(이하, 공랭 방식의 펠티어 소자 냉각 시스템)으로 냉수를 생산하는 펠티어 소자 냉각 시스템이 존재한다.

이 시스템 역시 펠티어 소자를 이용하고 있기는 하지만 시스템이 가지고 있는 특성상 펠티어 소자 효율의 한계로 냉각 성능이 충분하지 못하고, 시스템의 방열을 전적으로 방열판과 팬에 의존하고 있기 때문에 소형화가 어렵고 동작 중에 소음 발생 등 큰 단점이 있다.

뿐만 아니라 코스트(cost) 측면에서 보면, 종래의 공랭 방식의 펠티어 소자 냉각 시스템은 다량의 알루미늄 금속판을 이용한 방열판과 금속을 사용해야 하는 냉수 탱크 및 그 냉수 탱크의 열전달율을 높이기 위해 냉수 탱크 속에 금속봉을 부착하는 등, 충분한 냉각 성능을 발휘하지 못함에도 불구하고 높은 코스트를 유발하는 요인이 존재한다.

상기의 이유로 형상 및 디자인 면에서 제약이 많이 따르고, 성능면에서도 전 류를 인가하면 냉각 탱크 속에 정체되어 있는 물은 그 성질상 펠티어 소자의 냉각면에 접촉하는 금속에서 한정된 부분에 위치하는 물만이 냉각될 뿐이고 냉각 성능 향상을 위하여 인가 전류를 높여나가도 한정된 부분만이 냉각되므로 결국은 냉각수 탱크 속의 특정 부분은 0℃ 이하로 떨어져 얼음이 형성되고 특정 부분은 8℃에서 15℃ 정도의 온도 분포가 형성되는 기현상이 발생되므로 냉각수 탱크 및 냉각수로서의 기능이 어렵게 되는 것은 물론 냉각 성능 향상을 위한 무리한 전류 인가는 펠티어 소자 수명 자체에도 치명적인 영향을 미친다.

따라서 기존의 공랭 방식의 라디에이터를 이용한 펠티어 소자 냉온수 시스템의 단점을 보완하여, 냉온수 생산에의 성능 및 그 효율을 높이면서도 소형화 및 콤팩트화가 가능하고, 또한 펠티어 소자의 구동 효율을 높임으로써 동작 중에 소음 발생을 최소화시킬 뿐만 아니라 형상 및 디자인 변경에 자유로우며, 주변의 기온에 무관하게 일정한 성능을 제공할 수 있고, 무엇보다도 낮은 코스트(cost)의 범위 내에서 제작이 가능하여 냉수 또는 온수가 요구되는 산업용 또는 가정용의 다양한 제품에 용이하게 적용될 수 있는 구조체를 이용한 펠티어 소자 냉온수 시스템의 개발이 요구된다.

본 발명의 목적은, 냉온수 생산에의 성능 및 그 효율을 높이면서도 소형화 및 콤팩트화가 가능하고, 또한 펠티어 소자의 구동 효율을 높임으로써 동작 중에 소음을 최소화시킬 수 있을 뿐만 아니라 형상 및 디자인 변경에 자유로우며, 주변 의 기온에 무관하게 일정한 성능을 제공할 수 있고, 무엇보다도 낮은 코스트(cost)의 범위 내에서 제작이 가능하여 냉수 또는 온수가 요구되는 산업용 또는 가정용의 다양한 제품에 용이하게 적용될 수 있는 구조체를 이용한 펠티어 소자 냉온수 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 내부에 워터(water)가 저장되는 제1 탱크; 및 상기 제1 탱크와 연결되며, 상기 제1 탱크 내의 워터를 순환시켜 냉수 또는 온수로 생산하는 펠티어 모듈(peltier module)을 포함하며, 상기 펠티어 모듈은, 인가된 전류에 의해 양면이 각각 독립적으로 냉각 및 가열되는 냉각면 및 가열면을 구비한 적어도 하나의 펠티어 소자; 및 상기 적어도 하나의 펠티어 소자를 사이에 두고 상기 펠티어 소자의 냉각면 및 가열면 중 어느 한 면에 접면하되 내부에 다수의 워터유로가 형성된 제1 유로 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 펠티어 소자를 이용한 냉온수 시스템에 의해 달성된다.

여기서, 상기 제1 탱크는 냉수 탱크일 수 있으며, 상기 냉수 탱크는 상기 펠티어 모듈의 제1 유로 구조체와 냉수순환라인에 의해 연결될 수 있다.

상기 냉수 탱크의 일측에 마련되어 상기 냉수순환라인으로 냉수를 순환시키는 펌프를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 유로 구조체는, 판 형상으로 제작되어 상호간 접면되게 결합되며 적어도 어느 하나의 내면에 상기 다수의 워터유로가 형성되는 한 쌍의 제1 및 제2 판체를 포함할 수 있다.

상기 다수의 워터유로는 상기 한 쌍의 판체 중에서 제1 판체의 표면에서 함몰되게 형성될 수 있다.

상기 다수의 워터유로는, 상기 제1 판체의 일측 워터 유입단 측에 형성되는 다수의 제1 유로 형성 돌기부에 의해 마련되는 1차 워터유로; 상기 제1 판체의 타측 워터 출구단 측에 형성되는 다수의 제3 유로 형성 돌기부에 의해 마련되는 3차 워터유로; 및 상기 제1 판체의 중앙 영역에 형성되는 다수의 제2 유로 형성 돌기부에 의해 마련되는 2차 워터유로를 포함할 수 있으며, 상기 제1 내지 제3 유로 형성 돌기부는 각각 상호간 등간격을 가지고 배열될 수 있다.

상기 다수의 제2 유로 형성 돌기부의 단부들은, 상기 워터 유입단과 상기 워터 출구단을 있는 가상의 라인에 교차되는 방향으로 경사진 가상의 라인을 형성할 수 있다.

상기 펠티어 모듈은, 상기 펠티어 소자의 냉각면 및 가열면 중 어느 다른 한 면에 접면하되 내부에 다수의 워터유로가 형성된 제2 유로 구조체를 더 포함할 수 있다.

방열 유닛을 더 포함할 수 있으며, 상기 방열 유닛과 상기 펠티어 모듈의 제2 유로 구조체는 온수순환라인에 의해 연결될 수 있다.

상기 방열 유닛은, 상기 온수순환라인의 단부가 연결되는 온수 탱크; 일단부가 상기 온수 탱크 내에 수용되게 마련되는 방열판; 상기 방열판의 상단부에 마련되는 더미 탱크; 및 상기 온수 탱크와 상기 더미 탱크를 연결하여 상기 온수 탱크 내의 온수를 상기 더미 탱크로 순환시키는 탱크연결라인을 포함할 수 있다.

상기 더미 탱크의 바닥면에는 상기 더미 탱크 내의 워터를 상기 방열판을 경유하여 상기 온수 탱크로 낙하시키는 다수의 통공이 형성될 수 있다.

상기 방열 유닛은, 상기 방열판의 어느 일측에 착탈 가능하게 결합되어 방열 효과를 배가시키는 적어도 하나의 팬(fan)을 더 포함할 수 있다.

상기 제2 유로 구조체는 상기 제1 유로 구조체와 동일할 수 있다.

상기 펠티어 모듈은, 상기 제1 및 제2 유로 구조체의 외측에 형성되는 한 쌍의 하우징; 상기 한 쌍의 하우징 내에 배치되어 상기 한 쌍의 하우징이 결합될 때 상기 제1 및 제2 유로 구조체를 상호간 이격시키는 한 쌍의 이격용 패드; 및 상기 한 쌍의 하우징을 체결하는 체결부재를 더 포함할 수 있다.

상기 펠티어 소자의 가열면에서 발생되는 열을 방열시키기 위해 상기 펠티어 소자의 가열면에 접착되는 금속 방열판; 및 상기 금속 방열판에 결합되는 팬(fan)을 더 포함할 수 있으며, 상기 펠티어 소자를 이용한 냉온수 시스템은, 냉온수기, 정수기, 매트 및 산업용 냉각 장치 중에서 선택된 어느 하나에 적용될 수 있으며, 상기 제1 탱크는 내부 라인 또는 외부 라인에 의해 선택적으로 연통 가능한 다수의 탱크로 구획될 수 있다.

본 발명에 따르면, 냉온수 생산에의 성능 및 그 효율을 높이면서도 소형화 및 콤팩트화가 가능하고, 또한 펠티어 소자의 구동 효율을 높임으로써 동작 중에 소음을 최소화시킬 수 있을 뿐만 아니라 형상 및 디자인 변경에 자유로우며, 주변의 기온에 무관하게 일정한 성능을 제공할 수 있고, 무엇보다도 낮은 코스트(cost) 의 범위 내에서 제작이 가능하여 냉수 또는 온수가 요구되는 산업용 또는 가정용의 다양한 제품에 용이하게 적용될 수 있다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 펠티어 소자를 이용한 냉온수 시스템의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 펠티어 모듈의 분해 사시도이며, 도 3은 도 2에 도시된 제1 유로 구조체의 분해 사시도이고, 도 4는 도 3의 A-A 선에 따른 단면도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 펠티어 소자를 이용한 냉온수 시스템은, 크게 제1 탱크로서의 냉수 탱크(100)와, 방열 유닛(200)과, 냉수 탱크(100) 및 방열 유닛(200)을 연결하는 펠티어 모듈(300, peltier module)을 구비한다.

참고로, 본 실시예의 냉온수 시스템은, 펠티어 모듈(300) 및 그에 부속되는 방열 유닛(200)의 작용에 기초하여 냉수 탱크(100)의 내부에 냉수를 생산하는 역할을 하며, 이하에서는 이러한 작용에 대해 설명하기로 한다.

하지만, 본 발명의 권리범위가 이에 제한될 필요는 없으므로, 만약 제1 탱크를 온수 탱크(미도시)로 적용할 경우에는 냉수가 아닌 온수를 생산할 수 있게 된다. 이러한 경우, 온수 매트(mat)로서의 기능을 담당할 수 있게 되는 것이다.

각 구성에 대해 부연하면, 우선 냉수 탱크(100)는 박스(box) 형상의 구조물로서 그 내부에는 펠티어 모듈(300) 및 그에 부속되는 방열 유닛(200)의 작용에 기초하여 워터(water)가 냉각된 냉수가 저장된다.

도시하고 있지는 않지만, 냉수 탱크(100)의 일측에는 냉각 대상의 상온 워터가 공급되는 라인(미도시)이 더 결합되며, 냉수 탱크에 저장된 이러한 상온 워터는 펠티어 모듈(300)을 순환하면서 냉각되어 냉수로 생산된 후 냉수 탱크(100)에 저장된다.

이처럼 워터가 냉수 탱크(100)와 펠티어 모듈(300) 간을 순환될 수 있도록 본 실시예의 냉온수 시스템에는 펌프(미도시)가 더 구비된다. 펌프는 위치 상 냉수 탱크(100)의 하부 영역에 마련될 수 있다. 물론, 본 발명의 권리범위가 이에 제한되는 것은 아니므로 펌프가 반드시 냉수 탱크(100)의 하부 영역에 마련될 필요는 없다.

방열 유닛(200)의 설명에 앞서 펠티어 모듈(300)에 대해 먼저 설명하면, 펠티어 모듈(300)은 도 1에 도시된 바와 같이, 하나의 단위 모듈로서 제작될 수 있다.

도 1과 같이, 펠티어 모듈(300)이 하나의 단위 모듈로 제작되면, 각 제품에 적용하기에 용이하여 조립 공정 등에 따른 비용을 줄일 수 있는 이점이 있다. 본 실시예의 경우, 펠티어 모듈(300)이 대략 사각 블록(block) 구조를 가지지만 펠티어 모듈(300)의 도시된 형상이 본 발명의 권리범위를 제한할 수는 없다. 즉 펠티어 모듈(300)은 본 실시예의 냉온수 시스템이 적용되는 제품들의 종류와 크기, 부피, 디자인 등에 따라 얼마든지 그 형상이 변경될 수 있다.

펠티어 모듈(300)은, 앞서 기술한 바와 같이 냉수 탱크(100)와 연결되어 냉수 탱크(100) 내의 워터(상온의 워터)를 순환시켜 냉수로 생산하는 역할을 한다.

이러한 펠티어 모듈(300)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 인가된 전류에 의해 양면이 각각 독립적으로 냉각 및 가열되는 냉각면(310a) 및 가열면(310b)을 구비한 펠티어 소자(310)와, 펠티어 소자(310)를 사이에 두고 펠티어 소자(310)의 냉각면(310a)에 접면하되 내부에 다수의 워터유로(320a~320c)가 형성된 제1 유로 구조체(320)와, 펠티어 소자(310)를 사이에 두고 펠티어 소자(310)의 가열면(310b)에 접면하는 제2 유로 구조체(330)와, 이들을 외곽에서 감싸 지지하여 펠티어 모듈(300)의 외관을 형성하는 한 쌍의 하우징(340a,340b)을 구비한다.

펠티어 소자(310)는, 금속과 반도체를 접속한 두 점 사이에 폐로를 구성하고, 이에 전류를 흘리면 한쪽 면은 열이 발생하고 다른 쪽 면은 열을 흡수하는 현상인 펠티어 효과(Peltier effect)를 이용한 소자이다.

다시 말해, 펠티어 소자(310)에 전류를 인가하면, 인가된 전류에 의해 펠티어 소자(310)의 양면은 각각 독립적으로 냉각 및 가열되어 한쪽 면은 냉각면(310a)을 형성하게 되고, 다른 쪽 면은 가열면(310b)을 형성하게 된다. 본 실시예의 경우, 다수의 펠티어 소자(310)를 사용하고 있지만, 경우에 따라 크기가 큰 대면적의 펠티어 소자(310) 하나만을 적용할 수도 있다.

제1 유로 구조체(320)는 두 장의 얇은 박판, 또는 일정한 두께의 두 장의 금속판이 결합된 상태의 구조체로서, 이러한 제1 유로 구조체(320)는 펠티어 소자(310)의 한쪽 면, 즉 펠티어 소자(310)에 냉각되는 면인 냉각면(310a)에 접면된다.

이러한 제1 유로 구조체(320)의 내부에는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 워터가 순환되는 다수의 워터유로(320a~320c)가 형성되어 있다. 그리고 제1 유로 구조체(320)는 냉수순환라인(110a,110b)에 의해 냉수 탱크(100)와 연결되어 있다.

이에 따라, 펠티어 소자(310)에 전류가 인가된 상태에서 상온의 워터가 유입 냉수순환라인(110a)을 경유하여 제1 유로 구조체(320)의 워터유로(320a~320c)들로 향하게 되면, 제1 유로 구조체(320)가 펠티어 소자(310)의 냉각면(310a)에 접면되어 있는 관계로 제1 유로 구조체(320)의 워터유로(320a~320c)들을 따라 흐르던 상온의 워터는 급속히 냉각될 수 있게 되며, 냉각된 냉수는 배출 냉수순환라인(110b)을 따라 냉수 탱크(100)로 향하게 됨으로써 냉수 탱크(100)의 내부에는 차가운 냉수가 저장될 수 있게 된다. 이 경우, 냉수의 냉각 정도는 펠티어 소자(310)의 효율에 비례할 수 있으므로 최초의 설계 시 필요한 냉수의 온도에 기초한 펠티어 소자(310)를 선택하는 것이 바람직하다.

한편, 제1 유로 구조체(320)에 대해 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 유로 구조체(320)는, 판 형상으로 제작되어 상호간 접면되게 결합되는 한 쌍의 제1 판체(321)와, 제2 판체(322)를 구비한다.

제1 및 제2 판체(321,322)가 상호간 접면되게 결합되어야 하기 때문에 제1 및 제2 판체(321,322)는 상호간 동일한 면적으로 제작되는 것이 바람직하나 반드시 그러한 것은 아니다.

특히, 제1 및 제2 판체(321,322)의 두께는 제작의 용이성을 위해 동일한 것이 바람직하지만, 워터유로(320a~320c)들이 형성된 제1 판체(321)의 두께가 제2 판체(322)의 두께보다 두꺼워도 무방하다.

전술한 바와 같이, 본 실시예의 경우에는 제1 유로 구조체(320)의 구성 중 상온의 워터가 유동하는 유로인 워터유로(320a~320c)들이 제1 판체(321)에 형성되어 있으며, 제2 판체(322)는 어떠한 패턴도 형성되지 않은 상태에서 워터유로(320a~320c)들이 내부에 위치되도록 제1 판체(321)를 덮는 역할을 한다.

하지만, 제2 판체(322)에도 제1 판체(321)의 워터유로(320a~320c)들과 동일한 유로를 형성시킨 상태에서 이들이 상호간 연통되도록 제1 및 제2 판체(321,322)를 결합시켜도 무방하다. 참고로, 제1 및 제2 판체(321,322)의 결합은, 접착의 방법도 고려될 수 있지만, 원자간 결합 등의 방식이 적용된 화학적 결합 방식이 적용된다.

워터유로(320a~320c)들은 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 판체(321)의 표면에서 함몰되게 형성된다. 이러한 워터유로(320a~320c)들은 프레스 가공을 통해서도 제작이 가능하지만, 에칭 등 반도체 공정의 방법을 이용하여 제작할 수도 있다.

워터유로(320a~320c)들에 대해 보다 구체적으로 살펴보면, 워터유로(320a~320c)들은, 제1 판체(321)의 일측 워터 유입단(A, 도 3 참조) 측에 형성되 는 다수의 제1 유로 형성 돌기부(325a)에 의해 마련되는 1차 워터유로(320a)와, 제1 판체(321)의 타측 워터 출구단(B, 도 3 참조) 측에 형성되는 다수의 제3 유로 형성 돌기부(325c)에 의해 마련되는 3차 워터유로(320c)와, 제1 판체(321)의 중앙 영역에 형성되는 다수의 제2 유로 형성 돌기부(325b)에 의해 마련되는 2차 워터유로(320b)를 포함한다. 따라서 워터 유입단(A)으로 유입된 워터는 다수의 제1 내지 제3 유로 형성 돌기부(325a~325c)에 의해 형성되는 다수의 1차 내지 3차 워터유로(320a~320c)를 경유한 후에 워터 출구단(B)으로 배출된다.

이 경우, 제1 내지 제3 유로 형성 돌기부(325a~325c)는 각각 상호간 등간격을 가지고 배열되는데, 특히 다수의 제2 유로 형성 돌기부(325b)의 단부들은, 제1 판체(321)의 일측에 형성되어 유입 냉수순환라인(110a)이 결합되는 워터 유입단(A)과 제1 판체(321)의 타측에 형성되어 배출 냉수순환라인(110b)이 결합되는 워터 출구단(B)을 잇는 가상의 라인에 교차되는 방향으로 경사진 가상의 라인을 형성한다.

이와 같은 구조를 가질 경우, 워터 유입단(A) 측으로 유입된 워터가 다수의 1차 내지 3차 워터유로(320a~320c)들을 경유하여 워터 출구단(B) 측으로 배출되는 동안에 압력 또는 저항에 의해 워터의 이동에 제약이 발생되는 현상이 소멸된다.

다시 말해, 워터 유입단(A) 측과 워터 출구단(B) 측 간의 압력차가 거의 발생되지 않기 때문에, 단위 시간당 보다 많은 양의 워터가 워터 유입단(A)으로 유입되어 워터 출구단(B)으로 배출될 수 있어 냉수 생산에의 효율을 높일 수 있게 되는 것이다.

한편, 본 실시예에서 제1 판체(321)에 형성되는 워터 유입단(A) 및 워터 출 구단(B)은 제1 판체(321)의 표면보다 낮은 위치로 함몰된 형태를 갖는다. 그리고 제2 판체(322)의 표면에는 제1 판체(321)에 형성된 워터 유입단(A) 및 워터 출구단(B)과 연통하여 워터 유입단(A) 및 워터 출구단(B)으로 워터를 공급하는 홀(322a,322b)이 형성되어 있다.

한편, 반복 설명하는 바와 같이, 펠티어 소자(310)에 전류가 인가된 상태에서 상온의 워터가 유입 냉수순환라인(110a)을 경유하여 제1 유로 구조체(320)의 1차 내지 3차 워터유로(320a~320c)들로 향하게 되면, 제1 유로 구조체(320)가 펠티어 소자(310)의 냉각면(310a)에 접면되어 있는 관계로 제1 유로 구조체(320)의 1차 내지 3차 워터유로(320a~320c)들을 따라 흐르던 상온의 워터는 급속히 냉각될 수 있게 되며, 냉각된 냉수는 배출 냉수순환라인(110b)을 따라 냉수 탱크(100)로 향하게 됨으로써 냉수 탱크(100)의 내부에는 차가운 냉수가 저장될 수 있게 된다.

이 경우, 펠티어 소자(310)의 반대쪽 면인 가열면(310b)에는 열이 발생하게 되는데, 이러한 열을 방열시켜야 하며 그래야만 펠티어 소자(310)의 성능을 지속적으로 유지시킬 수 있고 냉수를 생산할 수 있다.

이를 위해, 본 실시예에서는 즉 펠티어 소자(310)의 가열면(310b)에서 발생된 열을 방열시키기 위해, 제2 유로 구조체(330)가 구비되어 가열면(310b)에 접하고 있으며, 제2 유로 구조체(330)는 온수순환라인(120a,120b)에 의해 방열 유닛(200)과 연결되어 있다. 참고로, 제2 유로 구조체(330)의 구조는, 전술한 제1 유로 구조체(320)와 동일하므로 그에 따른 설명은 생략하기로 한다.

물론, 본 발명의 권리범위가 이에 제한되는 것은 아니므로, 방열 유닛(200) 을 마련하는 대신에, 즉 펠티어 소자(310)의 가열면(310b)에서 발생되는 열을 방열시키기 위해 펠티어 소자(310)의 가열면(310b)에 금속 방열판(미도시)을 접착하고 그 금속 방열판에 팬(fan, 미도시)을 결합시켜 방열 시스템을 완성시킬 수도 있다.

하우징(340a,340b)은 펠티어 모듈(300)의 외관을 형성하는 부분이다. 본 실시예의 경우, 하우징(340a,340b)은 펠티어 소자(310), 제1 및 제2 유로 구조체(320,330)를 사이에 두고 상하에서 다수의 체결부재(350a,350b)에 의해 상호 결합되도록 한 쌍으로 마련된다. 본 실시예의 경우, 하우징(340a,340b) 역시 일정한 두께의 판상체로 형성되고 있지만 그 형상이 반드시 도면과 같을 필요는 없다.

이러한 하우징(340a,340b)에는 냉수순환라인(110a,110b)과 온수순환라인(120a,120b)의 커넥터(111a,111b,121a,121b)들이 배치되는 커넥터 홈부(341a,342a,342b, 341b는 미도시)가 더 형성되어 있다. 커넥터(111a,111b,121a,121b)들은 커넥터 홈부(341a,342a,342b)에 배치된 상태에서 볼트(B)에 의해 제1 및 제2 유로 구조체(320,330)와 연결된다.

그리고 하우징(340a,340b)에 의해 그 사이에서 펠티어 소자(310), 제1 및 제2 유로 구조체(320,330)가 조립될 경우, 제1 및 제2 유로 구조체(320,330)가 상호간 접면되지 않도록 이들을 이격시키는 수단으로서 한 쌍의 이격용 패드(360a,360b)가 더 구비된다. 이격용 패드(360a,360b)는 고무나 실리콘으로 제작될 수 있다.

마지막으로, 방열 유닛(200)에 대해 살펴보면, 전술한 바와 같이 방열 유닛(200)은 펠티어 모듈(300)의 제2 유로 구조체(330)와 온수순환라인(120a,120b)에 의해 연결되며, 펠티어 소자(310)의 가열면(310b)에서 발생된 열을 방열시키는 역할을 한다.

이러한 방열 유닛(200)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 온수순환라인(120a,120b)의 단부가 연결되는 온수 탱크(210)와, 일단부가 온수 탱크(210) 내에 수용되게 마련되는 방열판(220)과, 방열판(220)의 상단부에 마련되는 더미 탱크(230)와, 온수 탱크(210)와 더미 탱크(220)를 연결하여 온수 탱크(210) 내의 온수를 더미 탱크(220)로 순환시키는 탱크연결라인(240)을 구비한다.

탱크연결라인(240)을 통해 온수 탱크(210) 내의 온수가 상측에 위치된 더미 탱크(220)로 순환될 수 있도록, 온수 탱크(210) 내에는 별도의 펌프(미도시)가 더 구비된다.

더미 탱크(230)의 바닥면에는 더미 탱크(230) 내의 워터, 즉 온수를 방열판(220)을 경유하여 온수 탱크(210)로 낙하시키는 다수의 통공(230a)이 형성되어 있다. 그리고 방열판(220)의 측면에는 방열판(220)에 의한 방열 효과를 배가시키는 팬(250, fan)이 더 마련된다. 하지만, 팬(250)은 구성상 제외될 수도 있다.

이에 따라, 온수순환라인(120a,120b)을 통해 온수 탱크(210)와 제2 유로 구조체(330)가 연결된 상태에서, 펠티어 소자(310)의 가열면(310b)으로부터 발생된 열은 가열면(310b)에 접면되어 있는 제2 유로 구조체(330)의 내부로 순환되는 워터의 온도를 상승시킨다. 온도가 상승된 온수는 온수순환라인(120a,120b)을 따라 온수 탱크(210) 내부로 유입된 후, 탱크연결라인(240)을 통해 더미 탱크(230)로 순환되고, 이어 더미 탱크(230)의 바닥면에 형성된 다수의 통공(230a)을 통해 방열 판(220)을 경유하면서 온수 탱크(210)로 낙하된다. 따라서 펠티어 소자(310)의 가열면(310b)으로부터 발생된 열에 의해 그 온도가 상승된 온수는 위와 같은 순환 경로를 거치면서 냉각된 후 다시 제2 유로 구조체(330)의 내부로 순환되며, 이러한 일련의 동작에 기초하여 펠티어 소자(310)의 가열면(310b)으로부터 발생된 열을 효과적으로 방열시킬 수 있게 되는 것이다.

이러한 구성을 갖는 냉온수 시스템의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.

우선, 펠티어 소자(310)에 전류가 인가된다. 이러한 상태에서 상온의 워터가 유입 냉수순환라인(110a)을 경유하여 제1 유로 구조체(320)의 1차 내지 3차 워터유로(320a~320c)들로 향하게 되면, 제1 유로 구조체(320)가 펠티어 소자(310)의 냉각면(310a)에 접면되어 있는 관계로 제1 유로 구조체(320)의 1차 내지 3차 워터유로(320a~320c)들을 따라 흐르던 상온의 워터는 급속히 냉각된다.

냉각된 냉수는 배출 냉수순환라인(110b)을 따라 냉수 탱크(100)로 향하게 됨으로써 냉수 탱크(100)의 내부에는 차가운 냉수가 저장될 수 있게 된다. 이 경우, 워터유로(320a~320c)들의 구조적인 특징에 의해 단위시간당 많은 양의 냉수가 생산될 수 있다.

즉 제1 내지 제3 유로 형성 돌기부(325a~325c)는 각각 상호간 등간격을 가지고 배열되고, 특히 다수의 제2 유로 형성 돌기부(325b)의 단부들은, 제1 판체(321)의 일측에 형성되어 유입 냉수순환라인(110a)이 결합되는 워터 유입단(A)과 제1 판체(321)의 타측에 형성되어 배출 냉수순환라인(110b)이 결합되는 워터 출구단(B)을 잇는 가상의 라인에 교차되는 방향으로 경사진 가상의 라인을 형성하고 있기 때문 에, 워터 유입단(A) 측으로 유입된 워터가 다수의 1차 내지 3차 워터유로(320a~320c)들을 경유하여 워터 출구단(B) 측으로 배출되는 동안에 압력 또는 저항에 의해 워터의 이동에 제약이 발생되는 현상이 소멸된다. 따라서 워터 유입단(A) 측과 워터 출구단(B) 측 간의 압력차가 거의 발생되지 않기 때문에, 단위 시간당 보다 많은 양의 워터가 워터 유입단(A)으로 유입되어 워터 출구단(B)으로 배출될 수 있어 냉수 생산에의 효율을 높일 수 있게 되는 것이다.

한편, 이와 동시적인 작용으로서, 펠티어 소자(310)의 가열면(310b)에는 열이 발생하게 되는데, 펠티어 소자(310)의 가열면(310b)으로부터 발생된 열은 가열면(310b)에 접면되어 있는 제2 유로 구조체(330)의 내부로 순환되는 워터의 온도를 1차로 상승시킨다.

온도가 상승된 온수는 온수순환라인(120a,120b)을 따라 온수 탱크(210) 내부로 유입된 후, 탱크연결라인(240)을 통해 더미 탱크(230)로 순환되고, 이어 더미 탱크(230)의 바닥면에 형성된 다수의 통공(230a)을 통해 방열판(220)을 경유하면서 온수 탱크(210)로 낙하된다.

따라서 펠티어 소자(310)의 가열면(310b)으로부터 발생된 열에 의해 그 온도가 상승된 온수는 위와 같은 순환 경로를 거치면서 냉각된 후 다시 제2 유로 구조체(330)의 내부로 순환되며, 이러한 일련의 동작에 기초하여 펠티어 소자(310)의 가열면(310b)으로부터 발생된 열을 효과적으로 방열시킬 수 있게 되는 것이다.

이와 같이, 본 실시예에 따르면, 냉온수 생산에의 성능 및 그 효율을 높이면서도 소형화 및 콤팩트화가 가능하고, 또한 펠티어 소자의 구동 효율을 높임으로써 동작 중에 소음 발생을 최소화시킬 뿐만 아니라 형상 및 디자인 변경에 자유로우며, 주변의 기온에 무관하게 일정한 성능을 제공할 수 있고, 무엇보다도 낮은 코스트(cost)의 범위 내에서 제작이 가능하여 냉수 또는 온수가 요구되는 산업용 또는 가정용의 다양한 제품에 용이하게 적용될 수 있게 된다.

앞서 기술한 기존의 공랭 방식의 펠티어 소자 냉각 시스템과, 위에서 기술한 본 실시예의 구조체를 이용한 펠티어 소자 냉온수 시스템에 대해 비교를 하면 다음과 같다.

우선, 성능 측면에서 보면, 기존 공랭 방식의 펠티어 소자 냉각 시스템은 그 구성이 간단하기는 하지만 시스템이 가진 펠티어 효율의 한계로 냉각 성능이 충분하지 못하고 방열을 방열판과 팬에 전적으로 의존하고 있기 때문에 소형화가 어렵고 동작 중에 소음 발생 등 큰 단점이 있다.

하지만, 본 실시예의 구조체를 이용한 펠티어 소자 냉온수 시스템은 비록 기존 공랭 방식의 펠티어 소자 냉각 시스템보다 구성이 조금 더 복잡하기는 하지만 그 효율을 크게 높일 수 있으며, 냉수 탱크(100)와 펠티어 소자(310)를 분리하여 설치할 수 있는 특징을 이용하며 내부 구조의 활용도를 높여 다양한 제품 디자인도 가능해진다. 또한 펠티어 소자(310) 구동 효율 향상에 의해 동작 중에 소음 발생 최소화시키는 이점이 있다.

다음으로, 코스트(cost) 측면에서 보면, 종래의 공랭 방식의 펠티어 소자 냉각 시스템은 다량의 알루미늄 금속판을 이용한 방열판과 금속을 사용해야 하는 냉수 탱크 및 그 냉수 탱크의 열전달율을 높이기 위한 금속봉 등이 요구되기 때문에 3mm에서 8mm 정도의 얇은 금속판과 소형 펌프를 사용하는 본 실시예의 구조체를 이용한 펠티어 소자 냉온수 시스템에 비해 높은 코스트를 유발시킨다.

그 밖에, 기존 공랭 방식의 펠티어 소자 냉각 시스템은 상기의 이유로 형상 및 디자인 면에서 제약이 많이 따르고, 성능면에서도 전류를 인가하면 냉각 탱크 속에 정체되어 있는 물은 그 성질상 펠티어 소자의 냉각면에 접촉하는 금속에서 한정된 부분에 위치하는 물만이 냉각될 뿐이고 냉각 성능 향상을 위하여 인가 전류를 높여나가도 한정된 부분만이 냉각되므로 결국은 냉각수 탱크 속의 특정 부분은 0℃ 이하로 떨어져 얼음이 형성되고 특정 부분은 8℃에서 15℃ 정도의 온도 분포가 형성되는 기현상이 발생되므로 냉각수 탱크 및 냉각수로서의 기능이 어렵게 되는 것은 물론 냉각 성능을 향상을 위한 무리한 전류 인가는 펠티어 소자 수명 자체에도 치명적인 영향을 미친다.

이에 반해 본 실시예의 구조체를 이용한 펠티어 냉온수 시스템은 소형 순환 펌프를 이용하여 펠티어 소자의 냉각면에 접착시킨 구조체(310,320)를 통과시켜 냉각 탱크(100) 안의 냉각수를 순환시킴으로써 냉각 탱크(100) 안의 냉각수를 균일하게 냉각시켜 효율 높게 냉각수를 생산할 수 있는 특징이 있다.

결과적으로, 본 실시예의 구조체를 이용한 펠티어 소자 냉온수 시스템은, 기존 공랭 방식의 펠티어 소자 냉각 시스템이 가지지 못하는 장점을 보유하고 있을 뿐만 아니라 높은 효율과 품질의 안정성(펠티어 소자(310)의 사용 수명), 코스트만을 고려했을 경우라도 기존 공랭 방식의 펠티어 소자 냉각 시스템 이상의 메리트(merit)를 갖기 때문에 산업용뿐만 아니라 가정용의 다양한 제품들에 널리 적용 될 수 있는 이점이 있게 되는 것이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 펠티어 소자를 이용한 냉온수 시스템의 개략적인 사시도이다.

이 도면을 참조하면, 도 5의 경우, 냉수 탱크(100a,100b)가 전술한 실시예와는 달리 2개로 구획되어 있다. 이러한 경우, 2개의 냉수 탱크(100a,100b) 중에서 예컨대, 제1 냉수 탱크(100a)에 전술한 펠티어 모듈(300)을 연결시켜 제1 냉수 탱크(100a) 내의 워터를 순환 냉각시키고 목표 온도까지 냉각이 완료되면 순환 라인을 이동시켜 제 2 냉수 탱크(100b)를 냉각시키는 방법으로 일정량의 물을 동시에 냉각시키는 방법보다 냉수 탱크를 분리하여 냉각시킴으로써 탱크의 표면적을 줄여 열손실을 줄여 냉각 효율과 냉수의 이용 효율을 높일 수 있다. 이 때, 제1 냉수 탱크(100a)와 펠티어 모듈(300)을 연결하는 라인 상에 또는 제1 및 제2 냉수 탱크(100a,100b)를 연결하는 라인 상에 전자 제어 가능한 솔밸브 등을 장착한 시스템을 활용하면 효율적일 것임에 틀림없다. 이 때 제1 및 제2 냉수 탱크(100a,100b)를 연결하는 라인은 내부 라인이어도 좋고 외부 라인이어도 좋다.

도 5의 경우, 2개의 냉수 탱크(100a,100b)가 도시되어 있지만, 냉수 탱크(100a,100b)의 개수는 2개보다 많아도 무방하다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 펠티어 소자를 이용한 냉온수 시스템의 개략적인 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시된 펠티어 모듈의 분해 사시도이다.

도 3은 도 2에 도시된 제1 유로 구조체의 분해 사시도이다.

도 4는 도 3의 A-A 선에 따른 단면도이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 펠티어 소자를 이용한 냉온수 시스템의 개략적인 사시도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 : 냉수 탱크 110a,110b : 냉수순환라인

120a,120b : 온수순환라인 200 : 방열 유닛

210 : 온수 탱크 220 : 방열판

230 : 더미 탱크 230a : 통공

240 : 탱크연결라인 250 : 팬

300 : 펠티어 모듈 310 : 펠티어 소자

320 : 제1 유로 구조체 330 : 제2 유로 구조체

340a,340b : 하우징 350a,350b : 체결부재

360a,360b : 이격용 패드

Claims (15)

1. 내부에 워터(water)가 저장되는 제1 탱크; 및

   상기 제1 탱크와 연결되며, 상기 제1 탱크 내의 워터를 순환시켜 냉수 또는 온수로 생산하는 펠티어 모듈(peltier module)을 포함하며,

   상기 펠티어 모듈은,

   인가된 전류에 의해 양면이 각각 독립적으로 냉각 및 가열되는 냉각면 및 가열면을 구비한 적어도 하나의 펠티어 소자; 및

   상기 적어도 하나의 펠티어 소자를 사이에 두고 상기 펠티어 소자의 냉각면 및 가열면 중 어느 한 면에 접면하되 내부에 다수의 워터유로가 형성된 제1 유로 구조체를 포함하며,

   상기 제1 유로 구조체는, 판 형상으로 제작되어 상호간 접면되게 결합되며 적어도 어느 하나의 내면에 상기 다수의 워터유로가 형성되는 한 쌍의 제1 및 제2 판체를 포함하되 상기 다수의 워터유로는 상기 한 쌍의 판체 중에서 제1 판체의 표면에서 함몰되게 형성되며,

   상기 다수의 워터유로는,

   상기 제1 판체의 일측 워터 유입단 측에 형성되는 다수의 제1 유로 형성 돌기부에 의해 마련되는 1차 워터유로;

   상기 제1 판체의 타측 워터 출구단 측에 형성되는 다수의 제3 유로 형성 돌기부에 의해 마련되는 3차 워터유로; 및

   상기 제1 판체의 중앙 영역에 형성되는 다수의 제2 유로 형성 돌기부에 의해 마련되는 2차 워터유로를 포함하며,

   상기 제1 내지 제3 유로 형성 돌기부는 각각 상호간 등간격을 가지고 배열되며,

   상기 다수의 제2 유로 형성 돌기부의 단부들은, 상기 워터 유입단과 상기 워터 출구단을 잇는 가상의 라인에 교차되는 방향으로 경사진 가상의 라인을 형성하는 것을 특징으로 하는 펠티어 소자를 이용한 냉온수 시스템
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 탱크는 냉수 탱크이며,

   상기 냉수 탱크는 상기 펠티어 모듈의 제1 유로 구조체와 냉수순환라인에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 펠티어 소자를 이용한 냉온수 시스템.
3. 제2항에 있어서,

   상기 냉수 탱크의 일측에 마련되어 상기 냉수순환라인으로 냉수를 순환시키는 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펠티어 소자를 이용한 냉온수 시스템.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제2항에 있어서,

   상기 펠티어 모듈은, 상기 펠티어 소자의 냉각면 및 가열면 중 어느 다른 한 면에 접면하되 내부에 다수의 워터유로가 형성된 제2 유로 구조체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펠티어 소자를 이용한 냉온수 시스템.
9. 제8항에 있어서,

   방열 유닛을 더 포함하며,

   상기 방열 유닛과 상기 펠티어 모듈의 제2 유로 구조체는 온수순환라인에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 펠티어 소자를 이용한 냉온수 시스템.
10. 제9항에 있어서,

    상기 방열 유닛은,

    상기 온수순환라인의 단부가 연결되는 온수 탱크;

    일단부가 상기 온수 탱크 내에 수용되게 마련되는 방열판;

    상기 방열판의 상단부에 마련되는 더미 탱크; 및

    상기 온수 탱크와 상기 더미 탱크를 연결하여 상기 온수 탱크 내의 온수를 상기 더미 탱크로 순환시키는 탱크연결라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 펠티어 소자를 이용한 냉온수 시스템.
11. 제10항에 있어서,

    상기 더미 탱크의 바닥면에는 상기 더미 탱크 내의 워터를 상기 방열판을 경유하여 상기 온수 탱크로 낙하시키는 다수의 통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 펠티어 소자를 이용한 냉온수 시스템.
12. 제10항에 있어서,

    상기 방열 유닛은, 상기 방열판의 어느 일측에 착탈 가능하게 결합되어 방열 효과를 배가시키는 적어도 하나의 팬(fan)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펠티어 소자를 이용한 냉온수 시스템.
13. 제8항에 있어서,

    상기 제2 유로 구조체는 상기 제1 유로 구조체와 동일한 것을 특징으로 하는 펠티어 소자를 이용한 냉온수 시스템.
14. 제13항에 있어서,

    상기 펠티어 모듈은,

    상기 제1 및 제2 유로 구조체의 외측에 형성되는 한 쌍의 하우징;

    상기 한 쌍의 하우징 내에 배치되어 상기 한 쌍의 하우징이 결합될 때 상기 제1 및 제2 유로 구조체를 상호간 이격시키는 한 쌍의 이격용 패드; 및

    상기 한 쌍의 하우징을 체결하는 체결부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펠티어 소자를 이용한 냉온수 시스템.
15. 제1항에 있어서,

    상기 펠티어 소자의 가열면에서 발생되는 열을 방열시키기 위해 상기 펠티어 소자의 가열면에 접착되는 금속 방열판; 및

    상기 금속 방열판에 결합되는 팬(fan)을 더 포함하며,

    상기 펠티어 소자를 이용한 냉온수 시스템은, 냉온수기, 정수기, 매트 및 산업용 냉각 장치 중에서 선택된 어느 하나에 적용되며,

    상기 제1 탱크는 내부 라인 또는 외부 라인에 의해 선택적으로 연통 가능한 다수의 탱크로 구획되는 것을 특징으로 하는 펠티어 소자를 이용한 냉온수 시스템.

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